具有同时感测和致动的触觉显示器制造技术

本发明专利技术公开了利用同时感测和致动产生多点触觉的触摸接口设备和方法。在一种配置中，连接到基板的前表面的一个或多个电极以图案布置并连接到电子控制器，其中电子控制器被配置为通过向电极施加一个或多个电压产生触觉效果，并且通过向电极施加一个或多个电压测量一个或多个触摸点的位置。在另一种配置中，电子控制器被配置为通过向电极施加正电压和/或负电压产生触觉效果，并且通过向电极施加正电压和/或负电压测量一个或多个触摸点的位置。还公开了利用触摸接口的基板上的单组电极同时在基板上产生触觉效果和测量相对于基板的手指位置的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】对相关申请的交叉引用本申请要求于2014年2月21日提交的美国临时专利申请序列No.61/942,983的权益和优先权，其全部公开内容通过引用被结合于此。本专利技术的合同起源本专利技术是依据由美国国家科学基金会给予的在资助号为IIS-0964075和IIP-1330966下利用政府支持作出的。政府对本专利技术具有一定的权利。
本专利技术一般而言涉及用于表面触觉设备(surface haptic device，SHD)的触摸接口，并且更具体而言涉及可以提供多点触觉的具有同时感测和致动的触摸接口，它包括提供由用户的单独手指经历的独立触觉效果。
技术介绍
触摸接口可以在膝上型电脑、游戏设备、汽车仪表盘、信息亭、手术室、工厂、自动柜员机以及诸如相机和电话的便携式设备的主机中找到。触摸接口提供离散机械控制无法提供的灵活交互可能性。但当今的触摸接口牺牲了人类体验的重要部分：触觉。“触觉”是指与触摸关联的感知系统。触觉给予我们触摸类型、在黑暗中发现灯的开关、挥舞刀叉、享受抚摸狗或握住我们配偶的手。触觉不只是移动一个人的手，而是关于感觉事物、识别物体(甚至不用看它们)，以及控制我们与世界交互的方式。振动形式的触觉是诸如寻呼机、手机和智能电话的电子产品的熟悉特征。虽然振动早已被用作无声振铃或告警，但它越来越多地被用来在使用触摸表面(诸如触摸屏)时向人的手(尤其是指尖)提供触觉反馈。现有技术，诸如标题为“Haptic Feedback for Touchpads and Other Touch Controls”的美国专利6,429,846，描述了用于基于振动的触觉反馈的多种硬件和软件解决方案。该技术比在寻呼机中传统使用的技术明显地更先进。使用压电致动器启用高带宽的振动谱(vibration profile)控制增强了使用体验。然而，振动方法有一定的缺点。例如，整个设备振动，使得任何效果都在握着该设备的手以及触摸触摸表面或屏幕的指尖感觉到。此外，它不支持多点触觉：因为整个设备振动，所以触摸屏幕的每个指尖经历相同的效果。最近，静电致动已经作为生成局部化到指尖的振动的手段而被探索。现有技术，诸如美国专利7,924,144，利用静电力来造成指尖的振动，这使得人能够检测触摸表面上的各种纹理。这种技术的优点是它除了在皮肤表面上之外不生成机械振动。虽然该技术还具有通过简单地使用屏幕的同一表面上的多个电极来支持多点触觉的潜力，但实际上这是难以做到的。一个原因是难以产生到不在透明屏幕的边缘附近的电极的低电阻电连接。因此，在多个电极中，那些不在边缘附近的电极充电慢。另一个原因是触觉必须与感测指尖位置的一些手段共存。对于多触摸感测的最常见技术是也使用静电荷的“投射电容”感测。为了最小化静电触觉和投射电容感测之间的相互作用，现有技术对触觉使用单个电极，尺寸为整个触摸屏。多点触觉由一些本专利技术人的共同未决专利申请(标题为“Electrostatic Multi-touch Haptic Display”的美国专利申请序列No.13/468,818)描述了实现多点静电触觉的多种方式。该公开内容的某些方面在本文中作为背景指出。例如，静电触觉的基础是摩擦力的调制，其是经由电场直接影响手指与触摸接口的触摸表面之间的法向力的结果。电场
在指尖与触摸表面之间的接触点建立。这是通过在基板的触摸表面附近放置一个或多个电极实现的，利用介电层将那些电极与指尖绝缘。为了建立电场，电路必须通过指尖闭合。这样做有两个主要途径。在现有技术中，其他人已经教导了图1a中所示的方法，该图是来自美国专利7,924,144的图，其中手指-电介质-电极系统的电容是通过在身体的某个其它部分的第二触点闭合的电路的一部分，该电路甚至可以利用人体的相对大的电容来完成。因此，图1a示出了实现电容性电感测接口的装置，其具有在两个单独的接触位置之间闭合的电路，其中这两个位置都是指尖。本专利技术人设计出了在图1b中所示的备选方法，该图类似于标题为“Touch Interface Device And Method For Applying Controllable Shear Forces To A Human Appendage”的美国专利申请序列No.13/468,695，其中两个单独的电极E和E'(触觉设备)被绝缘层L覆盖并且将在单个接触或触摸位置放在基板(未示出)的前表面或顶表面上。因此该电路是通过指尖本身的单个触摸闭合的，不涉及身体的其余部分。这具有不需要身体的某个其它部分参与的好处，但它还有另一个好处，这将在本文讨论。为了应用双电极技术，有必要在触摸表面上创建合适的电极对阵列。如图2中所示，为诸如移动设备2的装置实现这种布置的一种方法将是用包括电极8和10的电极对6简单地平铺顶表面或触摸表面4。这种顶层电极的有点在于：电极8、10可以精确地放在表面4上需要它们的地方以及所有电极可以潜在地由同一导电层构图。应当认识到的是，导线可以由与电极相同的导电材料构图，或者可以由导电率更高的材料制成。但是，在针对将相应的细导电迹线14、16连接到诸如不在边缘附近的多个电极的需要时，这种配置具有在一些现有技术中给出的缺点。具有足够低电阻率的细导电迹线14、16会是难以生产的，尤其是如果需要它们是透明的以满足其它设计目标的话。关于这种方法的另一个潜在困难是电极计数会变得相当大，尤其是当触摸表面变得更
大时。如果x轴需要N个电极并且y轴需要M个，则按照对的总电极计数，如图2所示，将为2*M*N。但是，像这样利用电极对来平铺表面的模式可以在某些情况下使用，诸如在具有较小屏幕尺寸的设备中使用。为装置的触摸表面创建电极阵列的第二种方法在图3a中示出并且被称为“晶格”。为了便于理解，图3a中的示图集中在电极阵列。虽然示出了菱形电极线的晶格网络形式的图案，但可以不必使用这种电极图案和形状，而是重点在于用可以成对服务的N*M个电极覆盖表面(此处示为大致平面的)。在这个图中，电极20沿第一轴(例如x轴)延伸或平行于第一轴，并且电极22沿第二轴(例如y轴)延伸或平行于第二轴。给定的y轴电极22跨越给定的x轴电极20的区域定义双电极区域(如图1b中所示的)，其中静电力可以施加到用户的皮肤上，例如施加到指尖。如图3a中所示，任何电极20(x轴)和任何电极22(y轴)都可以构成对。如果不同的电压被施加到例如电极20和22，则相应线电极20、22的交点变成手指会经历增加的静电力的活动区域或位置。在实践中，可以使用AC电压，并且当施加的电压彼此异相180度时产生最大静电力。静电力的量值可以以各种方式进行调制。作为几个例子，一种方法是改变施加到电极的电压的量值。另一种方法是改变施加到电极的电压波形的占空比。还有一种方法是基于对电极20、22上的电荷的测量来控制所施加的电压或电流。还有另一种方法是改变在两个电极20、22上的电压之间的相位关系。当两个电极20、22上的电压彼此完全异相时，静电力被最大化，并且当两个电极20、22上的电压彼此同相时，静电力被最小化，因为电路不再通过用户手指(诸如在指尖)的触摸、接触或接合被局部闭合，而是必须通过用户身体的其它部分的电容来闭合。如果Cf是从手指到电极的电容并且Cb是从身体本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有同时感测和致动的触摸接口，包括：绝缘基板；连接到基板的前表面并且以图案布置的一个或多个电极；被配置为将每个电极连接到一个或多个电压电平的电子控制器；所述电子控制器被配置为通过向所述电极施加一个或多个电压而产生触觉效果；以及所述电子控制器被配置为通过向所述电极施加一个或多个电压而测量一个或多个触摸点的位置。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.02.21 US 61/942,9831.一种具有同时感测和致动的触摸接口，包括：绝缘基板；连接到基板的前表面并且以图案布置的一个或多个电极；被配置为将每个电极连接到一个或多个电压电平的电子控制器；所述电子控制器被配置为通过向所述电极施加一个或多个电压而产生触觉效果；以及所述电子控制器被配置为通过向所述电极施加一个或多个电压而测量一个或多个触摸点的位置。2.如权利要求1所述的触摸接口，其中，电子控制器被配置为向所述电极施加正电压和负电压。3.如权利要求2所述的触摸接口，其中，电子控制器被配置为施加一个正电压和一个负电压。4.一种具有同时感测和致动的触摸接口，包括：绝缘基板；连接到基板的前表面并且以图案布置的一个或多个电极；被配置为将每个电极连接到正电压或负电压的电子控制器；所述电子控制器被配置为通过向所述电极施加正电压和/或负电压而产生触觉效果；以及所述电子控制器被配置为通过向所述电极施加正电压和/或负电压而测量一个或多个触摸点的位置。5.如权利要求4所述的触摸接口，其中，电极是透明的。6.如权利要求4所述的触摸接口，其中，电极包括保护层。7.如权利要求6...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·A·佩什金，J·E·科尔盖特，M·FD·奥利，
申请(专利权)人：坦瓦斯股份有限公司，西北大学，
类型：发明
国别省市：美国;US